光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)

第三章

光電檢測(cè)中的常用器件3.1基本知識(shí)3.1.1半導(dǎo)體對(duì)光的吸收一、物質(zhì)對(duì)光的吸收的一般規(guī)律

光波入射到物質(zhì)表面，通過(guò)路程dx

后，光通量的變化量d

與入射的光通量

和路程dx

的乘積成正比由電動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)：消光系數(shù)：光波波長(zhǎng)

即：若消光系數(shù)是與光波波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的常數(shù)，則吸收系數(shù)

與波長(zhǎng)成正比。當(dāng)不考慮反射損失時(shí)，吸收的光通量為：

二、半導(dǎo)體對(duì)光的吸收

半導(dǎo)體的消光系數(shù)與光波波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。半導(dǎo)體對(duì)光的吸收可分為：本征吸收、雜質(zhì)吸收、激子吸收、自由載流子吸收、晶格吸收

1、能帶理論（1）原子能級(jí)與晶體能帶

單個(gè)原子中的電子是按殼層分布的，只能具有某些分立的能量，這些分立值在能量坐標(biāo)上稱(chēng)為能級(jí)。晶體中由于原子密集，離原子核較遠(yuǎn)的殼層常要發(fā)生彼此交疊，與此相對(duì)應(yīng)的能級(jí)則擴(kuò)展為能帶。這時(shí)，價(jià)電子已不再屬于那一個(gè)原子了，它可以在能帶內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電子共有化。與價(jià)電子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶稱(chēng)為價(jià)帶，價(jià)帶以上能量最低的能帶稱(chēng)為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底E0與價(jià)帶頂Ec

之間的能量間隔稱(chēng)為禁帶Eg

。其實(shí)，一切不允許電子存在的能量區(qū)域都可稱(chēng)為禁帶，只是由于晶體的物理、化學(xué)性質(zhì)的變化主耍與價(jià)電于有關(guān)，所以我們要著重討論價(jià)帶至導(dǎo)帶這一范圍內(nèi)的問(wèn)題。常態(tài)下價(jià)帶基本為電子所填滿(mǎn)，導(dǎo)帶基本上是空的。對(duì)于不同的材料，禁帶寬度不同，導(dǎo)帶中電子的數(shù)目也不同，從而有不同的導(dǎo)電性。（2）本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)完整、純凈的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。例如純凈的硅稱(chēng)為本征硅。本征硅中，自由電子和空穴都是由于共價(jià)鍵破裂而產(chǎn)生的，所以電子濃度n

等于空穴濃度p，并稱(chēng)之為本征載流子濃度ni，ni

隨溫度升高而增加，隨禁帶寬度的增加而減小。

半導(dǎo)體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級(jí)，價(jià)帶中的電子若先躍遷到這些能級(jí)上然后再躍遷到導(dǎo)帶中去，要比電子直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶容易得多。因此雖然只有少量雜質(zhì)，卻會(huì)明顯地改變導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴數(shù)目，從而顯著地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。摻有施主雜質(zhì)的硅稱(chēng)為N型硅，在N型硅中電于濃度nu遠(yuǎn)大于空穴濃度pu。這里，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。摻有受主雜質(zhì)的硅稱(chēng)為P型硅，在P型硅中，電子濃度np遠(yuǎn)小于空穴濃度pp，空穴為多數(shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。

P型半導(dǎo)體中空穴導(dǎo)電，空穴帶正（Positive）電荷；

N型半導(dǎo)體中電子導(dǎo)電，電子帶負(fù)（Negative）電荷；

（3）本征吸收

條件：結(jié)果：（4）雜質(zhì)吸收

3.2光電效應(yīng)一、內(nèi)光電效應(yīng)特征：被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。

1光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)兩種。本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶，產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，價(jià)帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子與空穴使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。這種在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。條件：結(jié)果：光敏層單位時(shí)間吸收的量子數(shù)密度光敏層每秒產(chǎn)生的電子數(shù)密度

在熱平衡狀態(tài)下，由于半導(dǎo)體的熱電子產(chǎn)生率與熱電子復(fù)合率相等所以，光敏層內(nèi)電子總產(chǎn)生率：光敏層內(nèi)導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴的總復(fù)合率：由于：

Kf：載流子復(fù)合幾率

熱平衡下，由于載流子的產(chǎn)生率與復(fù)合率相等

在非平衡狀態(tài)下，載流子的時(shí)間變化率光生電子濃度光生空穴濃度討論結(jié)果：（1）在弱輻射作用下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度

條件：

n<<ni；p<<pi；本征吸收特點(diǎn)：n=p

（2）在強(qiáng)輻射作用下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度條件：

n>>ni；p>>pi；

光電導(dǎo)馳豫過(guò)程光電導(dǎo)增益

2光生伏特效應(yīng)指在半導(dǎo)體PN結(jié)上的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)。（1）在PN結(jié)附近，形成自建場(chǎng)，自建場(chǎng)的方向由N區(qū)指向P區(qū)；（2）在光輻射的作用下，光生電子和光生空穴在自建場(chǎng)中漂移，形成光生伏特電壓或光生電流；（3）當(dāng)在PN結(jié)兩端接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻后，流過(guò)負(fù)載電阻的電流

3丹培效應(yīng)

4光磁電效應(yīng)

二、光電發(fā)射效應(yīng)

當(dāng)物質(zhì)中的電子吸收足夠高的光子能量，電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電發(fā)射效應(yīng)或稱(chēng)為外光電效應(yīng)。光電發(fā)射效應(yīng)中光電能量轉(zhuǎn)換的基本關(guān)系為光電發(fā)射器件具有許多不同于內(nèi)光電器件的特點(diǎn)：

(1)光電發(fā)射器件中的導(dǎo)電電子可以在真空中運(yùn)動(dòng)，因此，可以通過(guò)電場(chǎng)加速電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，或通過(guò)電子的內(nèi)倍增系統(tǒng)提高光電探測(cè)靈敏度，使它能夠快速地探測(cè)極其微弱的光信號(hào)，成為像增強(qiáng)器與變像器技術(shù)的基本元件。

(2)很容易制造出均勻的大面積光電發(fā)射器件，這在光電成像器件方面非常有利：一般真空光電成像器件的空間分辨率要高于半導(dǎo)體光電圖像傳感器。

(3)光電發(fā)射器件需要高穩(wěn)定的高壓直流電源設(shè)備，使得整個(gè)探測(cè)器體積龐大，功率損耗大，不適于野外操作，造價(jià)也昂貴。

(4)光電發(fā)射器件的光譜響應(yīng)范圍一般不如半導(dǎo)體光電器件寬。

3.3光熱效應(yīng)

物質(zhì)在受到光照射后，由于溫度變化而造成材料性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。

光子動(dòng)能----光電子能量

光電效應(yīng)

光子動(dòng)能----晶格振動(dòng)能量---溫度升高

光熱效應(yīng)一

熱釋電效應(yīng)光照---晶格振動(dòng)加劇---溫度升高---極化強(qiáng)度變化

---表面電荷密度改變對(duì)極化晶體而言

利用某些晶體材料的自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度變化而產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)制成的探測(cè)器

熱釋電效應(yīng)

極化強(qiáng)度隨溫度的變化關(guān)系：

居里點(diǎn)溫度(產(chǎn)生一級(jí)相變或二級(jí)相變時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度)

光（紅外）輻射---鐵電體薄片溫度升高----極化強(qiáng)度減小----表面電荷減少----相當(dāng)于“釋放”了部分電荷熱釋電器件在恒定輻射作用下輸出信號(hào)為零,只有在交變輻射的作用下才有信號(hào)輸出。

二輻射熱計(jì)效應(yīng)

光照---晶格振動(dòng)加劇---溫度升高---電阻率變化

原理

吸收輻射，產(chǎn)生溫升，引起材料電阻發(fā)生變化。半導(dǎo)體材料：吸收輻射---材料中電子動(dòng)能和晶格的振動(dòng)動(dòng)能增加----

部分電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子---電阻減小

---電阻溫度系數(shù)為負(fù)金屬材料：背景（內(nèi)部有大量自由電子，在能帶結(jié)構(gòu)上無(wú)禁帶）吸收輻射---產(chǎn)生溫升---自由電子密度雖增加但總數(shù)改變不大---但晶格振動(dòng)加劇，妨礙了電子的自由運(yùn)動(dòng)---

電阻增大---電阻系數(shù)為正三溫差電效應(yīng)由兩種不同材料制成的結(jié)點(diǎn)由于由于受到某種因素作用而出現(xiàn)溫差，就可能在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流。如果通過(guò)光照射結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生溫度變化形成的溫差電現(xiàn)象可制作光電探測(cè)器件。

作業(yè):

什么是溫差電現(xiàn)象?如何利用溫差電效應(yīng)發(fā)電?3.4光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電探測(cè)器分類(lèi):

光電探測(cè)器熱電探測(cè)器光子探測(cè)器熱釋電探測(cè)器熱敏電阻熱電偶熱電堆光電發(fā)射型探測(cè)器固體或半導(dǎo)體探測(cè)器光電管光電倍增管光敏電阻光電池

特性參數(shù):

1.響應(yīng)度

2.光譜響應(yīng)度

3.積分響應(yīng)度

4.響應(yīng)時(shí)間

5.頻率響應(yīng)

6.熱噪聲

7.散粒噪聲

8.信噪比

9.線(xiàn)性度

10.工作溫度

3.5：光電導(dǎo)器件一、光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu)二、光敏電阻的分類(lèi)本征型半導(dǎo)體光敏電阻

長(zhǎng)波長(zhǎng)較短，常用于可見(jiàn)光波段。雜質(zhì)型半導(dǎo)體光敏電阻長(zhǎng)波長(zhǎng)較長(zhǎng)，常用于紅外波段甚至遠(yuǎn)紅外波段。三、典型的光敏電阻（1）CdS(硫化鎘)光敏電阻，在制備過(guò)程中常把CdS

和CdSe(硒化鎘)按一定比例制備成Cd(S,Se)光敏電阻。

CdS光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.52um，CdSe光敏電阻為0.72um，通過(guò)調(diào)整S和Se的比例，可使Cd(S,Se)光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)大致控制在0.52–0.72um范圍內(nèi)。（2）PbS

光敏電阻

峰值波長(zhǎng)在2um附近，常用于紅外輻射探測(cè)。（3）InSb(銻化銦)光敏電阻

為3–5um波段的主要探測(cè)器件。長(zhǎng)波范圍可達(dá)7.5um

（4）Hg1-x

Cdx

Te(汞鎘碲)系列光電導(dǎo)探測(cè)器件

是目前所有紅外探測(cè)器中性能最優(yōu)良且最有前途的探測(cè)器，對(duì)大氣窗口波段（4–8um）尤其重要。組分x

的變化范圍為0.18–0.4,長(zhǎng)波限的變化范圍為1–30um。四、光敏電阻的基本特性（1）光電特性

暗電導(dǎo)：光敏電阻在黑暗的室溫條件下，由于熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子形成的電導(dǎo)。

光電導(dǎo)：當(dāng)有光照射在光敏電阻上時(shí)產(chǎn)生的電導(dǎo)。

光電導(dǎo)隨光照量的變化關(guān)系稱(chēng)為光敏電阻的光電特性。光照特性曲線(xiàn)：在恒定電壓下流過(guò)光敏電阻的電流與作用到光敏電阻上的光照度的關(guān)系曲線(xiàn)。

光電特性曲線(xiàn)：光敏電阻的阻值隨作用到光敏電阻上的光照度的關(guān)系曲線(xiàn)。（2）伏安特性

在不同光照下，加在光敏電阻兩端的電壓隨流過(guò)它的電流的關(guān)系曲線(xiàn)。（3）溫度特性

以室溫（25°C）的相對(duì)光電導(dǎo)率為100%，觀測(cè)光敏電阻的相對(duì)光電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系曲線(xiàn)。

（4）時(shí)間響應(yīng)光敏電阻的時(shí)間響應(yīng)(又稱(chēng)為慣性)比其他光電器件要差(慣性要大)，頻率響應(yīng)要低，當(dāng)用一個(gè)理想方波脈沖輻射照射光敏電阻時(shí)，光生電子要有產(chǎn)生的過(guò)程，光生電導(dǎo)率要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)停止輻射時(shí)，復(fù)合光生載流子也需要時(shí)間，表現(xiàn)出光敏電阻具有較大的慣性。

（5）噪聲特性

熱噪聲：光敏電阻內(nèi)載流子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。散彈噪聲：由探測(cè)器或電路元件中組成電流的微粒流隨機(jī)起伏引起的噪聲。復(fù)合噪聲：光輻射功率的隨機(jī)起伏導(dǎo)致半導(dǎo)體中光生載流子的隨機(jī)起伏而形成的散彈噪聲。

溫度噪聲：由于環(huán)境溫度或元器件自身溫度的隨機(jī)起伏所引起的噪聲。閃爍噪聲：也稱(chēng)低頻噪聲、1/f噪聲。探測(cè)器由于光敏層內(nèi)微粒的不均勻，或體內(nèi)存在雜質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生微火花放電而引起電爆脈沖等。

（6）光譜響應(yīng)

3.6：光生伏特器件

3.6.1光電池

分兩大類(lèi):A太陽(yáng)能光電池要求轉(zhuǎn)換效率高,成本低,可以直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?/p>

B測(cè)量光電池要求線(xiàn)性范圍寬,靈敏度高,光譜響應(yīng)合適等.

1.幾種典型光電池的光譜響應(yīng)

2.光電池的基本結(jié)構(gòu)

3.6.2光電二極管